降水和温度变化下秸秆覆盖对旱地春小麦产量及其构成因素的影响.pdf

作物研究()():收稿日期:作者简介:王伟伟()男硕士研究生:通信作者:聂志刚博士教授主要从事作物模型的模拟与应用、农业信息化等相关研究:基金项目:国家自然科学基金()甘肃省高等学校创新基金()引用格式:王伟伟聂志刚 降水和温度变化下秸秆覆盖对旱地春小麦产量及其构成因素的影响 作物研究():降水和温度变化下秸秆覆盖对旱地春小麦产量及其构成因素的影响王伟伟聂志刚(甘肃农业大学信息科学技术学院甘肃 兰州 甘肃农业大学林学院甘肃 兰州)摘 要:为揭示定西地区耕作措施对气候变化下旱地春小麦产量及构成因素的影响规律根据当地 年的气象数据以降水、日均温度、秸秆覆盖量为可变因素运用 模型模拟小麦生长过程分析小麦产量、籽粒数及千粒质量的变化规律 研究结果显示:产量和生物量的模拟值和实测值的均方根误差和模型有效性指数分别为 /和 /和 验证模型模拟效果较好 在试验设计范围内温度对产量和籽粒数的影响为负效应对千粒质量则具有正效应温度升高 时千粒质量达到阈值 然后呈现报酬递减 降水和秸秆覆盖对小麦产量和籽粒数均具有正效应对千粒质量呈负效应 降水、温度和秸秆覆盖量对小麦产量和籽粒数的影响表现为降水温度秸秆覆盖量对千粒质量的影响表现为温度降水秸秆覆盖量 温度与降水、温度与秸秆覆盖量对小麦产量和籽粒数的影响均呈相互抑制关系降水和秸秆覆盖量对小麦产量和籽粒数的影响则呈相互促进关系 温度与降水、温度与秸秆覆盖量、降水与秸秆覆盖量的交互作用都对千粒质量有正效应 综合分析秸秆覆盖可以促进籽粒数的增加提高春小麦产量 考虑当地春小麦秸秆产出量秸秆收获后应全部还田以促进土壤的蓄水保墒为春小麦的高产和可持续发展提供水分补给关键词:小麦气候变化秸秆覆盖产量产量构成中图分类号:文献标志码:文章编号:()():/作物研究()年 月 :近些年来在新冠疫情的影响下产品贸易链和供应链受到较大冲击国际农产品供给的不确定性增加粮食安全问题越来越受国家重视 采用模型模拟作物的生长特征并预测作物产量及其构成因素可为提高粮食质量和产量、推进高标准农田建设进程提供强有力依据 小麦作为我国仅次于水稻的第二大粮食作物主要分布在黑龙江、河北、天津、新疆、甘肃等地 因春小麦具有株矮穗大、抗旱能力强等特点适宜在定西地区种植气候环境是影响定西地区旱地春小麦生长和发育的主要因素 世纪 年代以来我国西北地区气温呈显著增高趋势降水量呈微弱上升趋势 定西地区旱灾频繁降水分布少而不均降水多在秋收之后与春小麦生长季节严重错位 秸秆覆盖能有效抑制土壤中的水分流失从而促进小麦增产 高雪慧等基于 模型分析了陇中旱地春小麦产量对播期、施氮和降水量变化的响应在施氮 /的情况下小麦产量随着降水的增加而增加 逯玉兰等研究了降水量和气温变化对定西地区旱地春小麦产量的影响结果表明小麦的产量会随着拔节期孕穗期日均温度的升高而增加但在峰值之后则会随着温度的升高而出现报酬递减 聂志刚等研究了不同降水年型下温度升高对旱地春小麦产量的影响表明日最高温的升高会导致小麦减产其效应为干旱年润水年平水年日最低温的升高会导致小麦增产其效应为干旱年平水年润水年且日最高温造成的减产效应远大于日最低温带来的增产效应 相关研究表明温度升高会缩短小麦的生育周期增强蒸腾作用减少小麦光合作用的时间影响小麦有机物的积累从而导致小麦减产 王钧等研究表明拔节期和灌浆期应加强水分管理以提高黄土高原区小麦产量 冯仰强等研究表明降水对旱地小麦产量的影响为正效应本研究运用 模型分析不同降水和温度条件下不同用量秸秆覆盖对小麦产量及构成因素的响应以期为定西地区小麦耕作制度的调整和实现春小麦的高产和优产提供理论依据 材料与方法 试验区域概况试验在甘肃省定西市安定区凤翔镇安家沟村()甘肃农业大学试验田进行 该区域属典型旱作雨养农业区土壤为黄绵土质地均匀土壤 为 土壤容重为 /含有机质 /、全氮 /、全磷 /该区春小麦生产为一年一熟制一般 月中旬播种 月下旬成熟播种深度为 行间距 气象数据来源于 年甘肃省气象局用定西市安 定 区 历 史 气 象 资 料 组 建 的 气 象 数 据 库()其中包括日间最高、最低气温、日间太阳辐射量、降水量及水分蒸发量 试验材料 模型是中国科学院大气物理研究所开发的全耦合模型这是第一个使用中国建模中心开发的气候系统模型进行大规模集成模拟的数据集 本文依据 向 提交的历史试验数据(年)根据 数据处理标准详细评估研究区域()年的年均降水和气温趋势春小麦采用当地常规播种量 /氮肥和磷肥作为基肥在播种时均按 /一次性施入 以免耕为基础按当地常规秸秆覆盖量(/)覆盖 采用完全随机区组设计每第 卷第 期王伟伟等:降水和温度变化下秸秆覆盖对旱地春小麦产量及其构成因素的影响处理设 次重复采用 模型利用穷举试错法手动调节校准 文件中的小麦品种遗传参数结合试验区气象数据和土壤数据对模型适应性加以检验并设置不同温度、降水量和秸秆覆盖量进行模拟耦合实验对小麦产量、籽粒数及千粒质量进行模拟并加以分析 模拟试验设计设置不同用量的秸秆、降水和温度进行模拟耦合试验研究其对旱地春小麦产量及其构成因素的影响 秸秆覆盖量设置 个梯度分别为、和 /以 年的日均降水量和日均温度为基础(基础值)降水量设置 个增减幅度分别为 、基础值、和日均温度也设置 个变化幅度分别为、基础值、和 模型检验指标采用均方根误差()和模型有效性指数()这两个统计指标验证 模型的模拟效果及稳定性 基本公式如下:()()()()()式中:和 分别为田间实测值和模型模拟值 和 分别为田间实测平均值和模型模拟平均值 表示样本个数均方根误差()用以检验误差其值越小误差越小模型有效性指数()用以检验模拟精度其值越接近 模型拟合程度和稳定性越好 结果与分析 降水量与温度预测结果表明(图 图)在使用 模型中等温室气体排放共享社会经济路径情景()下试验区域 年的年均降水量和气温均呈微弱上升趋势年均降水量变化约 温度变化约 这可能是由于气温升高时地 表水的蒸发量增加大气中的水汽增多导致降雨量增加 也可能是因气候变暖致使水循环加快水分蒸发量增加导致降水量的增加图 试验区域年降水量趋势图 图 试验区域年均温趋势图 模型验证对研究区 年免耕覆盖小麦产量和生物量的实测值与模型模拟值进行验证结果见图 小麦产量的实测值和模拟值的 为 /为 小麦生物量的实测值和模拟值的 为 /为 表明 模型对小麦产量和生物量的模拟效果较好 降水和温度变化下秸秆覆盖对春小麦产量及其构成因素影响的回归分析 由于降水、温度和秸秆覆盖量的量级和量纲均不一致先进行“极差化”无量纲化编码处理(表)作物研究()年 月图 小麦产量()和生物量()模拟值与实测值的线性拟合 表 降水量、温度与秸秆覆盖量的编码表 降水量变化比例/编码温度变化幅度/编码秸秆覆盖量/()编码 基础值 基础值 以春小麦产量(产量)、籽粒数(籽粒数)和千粒质量(千粒质量)为因变量温度()、降水量()、秸秆覆盖量()的变化量为自变量采用 数据处理系统进行二次多项式逐步回归分析得到产量回归方程:产量 籽粒数回归方程:籽粒数 千粒质量回归方程:千粒质量 个回归方程的相关系数分别为 、和 且 表明回归方程达到显著水平能够反映旱地春小麦产量及构成因素与温度、降水量和秸秆覆盖量之间的关系 主效应分析产量、籽粒数和千粒质量回归方程中温度()的一次项系数分别为、和 表明温度对产量、籽粒数为负效应影响对千粒质量为正效应影响降水量()的一次项系数分别为 、和 表明降水量对产量和籽粒数为正效应影响对千粒质量为负效应影响秸秆覆盖量()的一次项系数分别为 、和 表明秸秆覆盖量对产量和籽粒数为正效应影响对千粒质量为负效应影响根据回归模型一次项系数的绝对值降水量对产量和籽粒数的贡献程度大于温度和秸秆覆盖量的贡献程度研究区小麦生育期内降水不足是限制产量形成的主要因素 总体来看增加秸秆覆盖量有利于小麦产量的提高但不利于小麦籽粒饱满程度的提升温度适度地升高有利于提升籽粒的饱满程度但是会降低小麦产量 单因素分析将各回归方程进行降维处理得到单因素效应方程及关系图(图、图、图)分别计算产量、籽第 卷第 期王伟伟等:降水和温度变化下秸秆覆盖对旱地春小麦产量及其构成因素的影响粒数和千粒质量与影响因素的回归方程 降水量和秸秆覆盖量对产量、籽粒数的影响效应均为开口朝上的抛物线产量和籽粒数随其增加呈递增状态降水量对千粒质量影响的效应为开口向下的抛物线秸秆覆盖量对千粒质量影响效应为开口向上的抛物线 温度对产量、籽粒数、千粒质量的影响效应均为开口向下的抛物线在试验设计范围内随着温度的升高产量和籽粒数呈单调递减的趋势但千粒质量则呈先增后减的趋势根据回归模型一次项系数的绝对值各因素对小麦产量和籽粒数的影响均表现为降水量温度秸秆覆盖量对小麦千粒质量的影响表现为温度降水量秸秆覆盖量将温度对春小麦千粒质量影响的单因素方程进行求导当/时求得温度的阈值为 小麦千粒质量的最优值为 超过阈值后千粒质量呈报酬递减图 温度、降水量与秸秆覆盖量对产量的单因素效应分析 产量回归模型中温度()、降水量()、秸秆覆盖量()的二次项系数和一次项系数分别为 和、和 、和 说明温度对产量的回归模型是开口向下的抛物线且在取值区间内呈单调递减降水量对小麦产量影响的回归模型是开口向上的二次抛物线且在模拟试验范围内单调递增秸秆覆盖量对小麦产量影响的回归模型是开口向上的二次抛物线且在取值范围内单调递增 根据模拟结果当降水量和秸秆覆盖量均不变时温度每增加 产量最大减幅 最小减幅 平均减幅 当温度和秸秆覆盖量均保持不变时降水量每增加产量最大增幅 最小增幅 平均增幅 当温度和降水量均保持不变时秸秆覆盖量每增加 /产量最大增幅 最小增幅 平均增幅 图 温度、降水量与秸秆覆盖量对籽粒数的单因素效应分析 籽粒数回归模型中温度()、降水量()和秸秆覆盖量()的二次项系数和一次项系数分别 和 、和 、和 说明温度对籽粒数的回归模型是开口向下的抛物线且在取值区间内呈单调递减降水量对小麦籽粒数的影响的回归模型是开口向上的二次抛物线且在模拟实验范围内单调递增秸秆覆盖量对小麦籽粒数影响的回归模型是开口向上的二次抛物线且在取值范围内单调递增 根据模拟结果当降水量和秸秆覆盖量均不变时温度每增加 小麦籽粒数最大减幅 最小减幅 平均减幅 当温度和秸秆覆盖量均保持不变时降水量每增加 籽粒数最大增幅 最小增幅 平均增幅 温度和降水量不变时秸秆覆盖量每增加 /籽粒数最大增幅 最小增幅 平均增幅 图 温度、降水量与秸秆覆盖量对千粒质量的单因素效应分析 作物研究()年 月千粒质量回归模型中温度()、降水量()和秸秆覆盖量()对应的二次项系数和一次项系数分别为 和 、和、和 温度对小麦千粒质量的影响是开口向下的抛物线呈先增后减的趋势降水量对小麦千粒质量的回归模型是开口向下的二次抛物线呈单调递减的趋势秸秆覆盖量对小麦千粒质量的影响是开口向上的抛物线呈单调递减趋势 根据模拟结果当温度和秸秆覆盖量均保持不变时降水量每增加 千粒质量最大减幅 最小减幅 平均减幅 当降水量和秸秆覆盖量均保持不变时温度每增加 千粒质量最大增幅 最大减幅 平均增幅 在温度和降水量不变的情况下秸秆覆盖量每增加 /千粒质量最大减幅 最小减幅 平均减幅 互作效应分析根据回归模型相关系数进一步分析各因素及其交互作用对小麦产量及其构成因素的影响 温度()、降水量()和秸秆覆盖量()对小麦产量的互作效应分析中温度()与降水量()的交互项系数为 但温度()的一次项系数()的绝对值小于降水量()的一次项系数 表明温度与降水量的交互作用虽为相互抑制关系但降水量对小麦产量的正效应大于温度对小麦产量的负效应 当降水量和温度同时增加时小麦产量表现为增加 温度()与秸秆覆盖量()对应的小麦产量回归模型交互项系数为 但温度()的一次项系数()的绝对值大于秸秆覆盖量()的一次项系数()的绝对值说明温度与秸秆覆盖量对小麦产量的影响为相互抑制且温度对小麦产量的影响要大于秸秆覆盖量对小麦产量的影响 降水量()与秸秆覆盖量()对应小麦产量的回归模型交互项系数为 且降水量()的一次项系数和秸秆覆盖量()的一次项系数分别为 和 说明降水量和秸秆覆盖量对小麦产量的影响为相互促进关系温度()、降水量()和秸秆覆盖量()对小麦籽粒数的互作效应分析中温度()与降水量()的交互项系数为 但温度()的一次项系数()的绝对值小于降水量()的一次项系数()表明温度与降水量的交互作用虽为相互抑制关系但降水量对小麦籽粒数的正效应大于温度对小麦籽粒数的负效应 当降水量和温度同时增加时小麦产量表现为增加 温度()与秸秆覆盖量()对应的小麦产量回归模型交互项系数为 但温度()的一次项系数()的绝对值大于秸秆覆盖量()的一次项系数()的绝对值说明温度与秸秆覆盖量对小麦籽粒数的影响为相互抑制且温度对小麦籽粒数的影响要大于秸秆覆盖量对小麦籽粒数的影响 降水量()与秸秆覆盖量()对应小麦产量的回归模型交互项系数为 且降水量()的一次项系数和秸秆覆盖量()的一次项系数分别为 和 说明降水量和秸秆覆盖量对小麦产量的影响为相互促进关系温度()、降水量()和秸秆覆盖量()对小麦千粒质量的互作效应分析中温度()与降水量()的交互项系数为 说明当二者同时增加时小麦千粒质量增加有利于籽粒饱满程度的提升表现为互相促进的关系 温度()与秸秆覆盖量()的交互项系数为 说明当二者同时增加时对小麦千粒质量的影响为正效应 降水量()与秸秆覆盖量()的交互项系数为 表明降水量和秸秆覆盖量同时增加对小麦千粒质量有正效应 讨论单因素分析和主效应分析发现各研究因素对小麦产量和籽粒数的影响效应表现为降水量温度秸秆覆盖量且温度对小麦产量和籽粒数的影响为负效应降水量和秸秆覆盖量对小麦产量和籽粒数的影响均为正效应 这可能是由研究区域降水量少且降水季节与小麦生长季节错位所导致 同时温度升高使土壤中水分蒸发小麦生长可用水分减少小麦成活率降低进而影响小麦的籽粒数和产量 降水量的增加可减缓小麦生育期缺水的现象提高试验地区小麦的出苗率和成活率最终使得小麦的籽粒数和产量增加 秸秆覆盖量的增加可提高耕地蓄水保墒的能力从而提高小麦种子的出苗率促进小麦的籽粒数和产量增加各研究因素对小麦千粒质量的影响表现为温度降水量秸秆覆盖量 研究表明小麦干物质积累的快慢主要由灌浆速率决定 本研究中温度对小麦千粒质量具有促进作用但升高到一定程度后会出现报酬递减 这主要是温度的升高有利于小麦植株中淀粉合成酶活性的增加从而使小麦光第 卷第 期王伟伟等:降水和温度变化下秸秆覆盖对旱地春小麦产量及其构成因素的影响合作用加快最终提高小麦灌浆速率促进小麦千粒质量的增加但是当温度升高到阈值后温度继续升高会导致小麦蒸腾作用加强和淀粉合成酶活性降低使小麦光合作用减弱、灌浆速率降低从而降低小麦千粒质量 本研究中降水量和秸秆覆盖量的增加会使得小麦千粒质量减少可能是因为降水量的增多会促进小麦的株高增高导致其抗倒伏性减弱从而易发生倒伏使得小麦灌浆受阻千粒质量降低而秸秆覆盖量的增加有利于田地的蓄水保墒有助于小麦的株高增高和穗粒数的增加使得小麦抗倒伏性减弱和籽粒有机物积累减少加之定西地区土质松软小麦结实后易发生倒伏影响小麦灌浆从而导致千粒质量降低温度与降水量的交互作用对小麦产量和籽粒数虽为相互抑制关系但降水量对小麦产量和籽粒数的正效应大于温度对小麦产量和籽粒数的负效应其原因在于定西地区降水少且分布不均降水多在秋收之后增加降水则可使产量迅速增加 温度与秸秆覆盖量对小麦产量和籽粒数的影响为相互抑制且温度对小麦产量和籽粒数的影响要大于秸秆覆盖量对小麦产量和籽粒数的影响 降水量和秸秆覆盖量对小麦产量和籽粒数的影响为相互促进关系说明秸秆覆盖可以有效减缓地表温度变化和阻止地表水分流失从而创造好的出苗环境利于小麦出苗从而提高小麦产量和籽粒数温度与降水量、温度与秸秆覆盖量、降水量与秸秆覆盖量同时增加对千粒质量具有正效应 因试验区域在小麦生长发育期降水量少且温度较高植株水分消耗较快不利于种子有机物的积累而温度升高的同时降水增多保障了小麦植株所需水分可使有机物运输加快从而提高千粒质量 而秸秆覆盖具有保温保水的作用且其腐化后可为小麦植株提供肥料也能促进千粒质量的增加 结论综合分析 模型可较好地模拟分析试验地区春小麦产量及其构成因素 各研究因素对小麦产量及籽粒数的影响表现为降水量温度秸秆覆盖量对千粒质量的影响表现为温度降水量秸秆覆盖量 秸秆覆盖可以阻止地表水分的蒸发进而减缓地表水分流失部分降水量不足可用秸秆覆盖补给考虑当地春小麦的秸秆产出试验地区收获后秸秆应全部还田参考文献:金永明闫和 世界典型性事件对政治经济影响的比较研究:以 年大萧条和 年新冠疫情为中心 学理论():张志新王迪唐海云 中国粮食安全保障程度:基于粮食消费结构变化的分析 消费经济():齐月王鹤龄张凯等 气候变化对黄土高原半干旱区春小麦生长和产量的影响:以定西市为例 生态环境学报():姚旭阳张明军张宇等 中国西北地区气候转型的新认识 干旱区地理():秦羽青程宏波柴雨葳等 中国北方地区小麦覆盖栽培增产效应的荟萃()分析 中国农业科学():高雪慧刘强王钧 基于 模型的陇中旱地春小麦产量对播期、施氮和降水量变化的响应模拟麦类作物学报():逯玉兰李广韩俊英等 降水量和气温变化对定西地区旱地春小麦产量的影响 湖南农业大学学报(自然科学版)():聂志刚冯仰强董莉霞等 不同降水年型下温度升高对旱地春小麦产量的影响 中国生态农业学报(中英文)():():()():王钧李广聂志刚等 陇中黄土高原区旱地春小麦产量对干旱胁迫响应的模拟研究 干旱区地理():冯仰强聂志刚王钧等 基于 模型研究不同降水年型下降水变化对旱地小麦产量的影响 作物研究():李葆春李广 甘肃定西地区降水资源的分布格局草业科学():():李昱康建宏吴宏亮 春小麦花后高温胁迫对产量及叶片保护酶活性的影响 宁夏农林科技作物研究()年 月():姜雨萌赵风华刘金秋等 极端高温对冬小麦冠层碳同化的影响 中国生态农业学报():封超年郭文善施劲松等 小麦花后高温对籽粒胚乳细胞发育及粒重的影响 作物学报():谭凯炎杨晓光任三学等 高温胁迫对华北地区冬小麦灌浆及产量的影响 生态学报():高甜甜柴守玺李亚伟等 秸秆带状覆盖对西北旱地小麦籽粒灌浆速率和产量的影响 核农学报():冯素伟 控水对小麦不同品种(系)农艺性状和生理特性影响的研究 杨凌:西北农林科技大学 王鹤龄张强王润元等 增温和降水变化对西北半干旱区春小麦产量和品质的影响 应用生态学报():李盼陈桂平苟志文等 绿洲灌区春小麦光能利用与水分生产效益对秸秆还田方式的响应 作物学报():(上接第 页)石姣姣江晓东史宏斌等 冬季增温对田间小麦光合作用及产量的影响 麦类作物学报():杨楠李广 免耕旱地小麦产量的光温效应 草业科学():董莉霞李广闫丽娟等 不同耕作措施旱地春小麦产量对温度变化的响应 干旱地区农业研究():董莉霞李广闫丽娟等 不同耕作措施下春小麦产量对温度变化的敏感性分析 干旱地区农业研究():张统帅闫丽娟李广等 免耕和秸秆覆盖对旱作区土壤氮素、水分和春小麦产量的影响 浙江农业学报():张康聂志刚王钧等 温度升高下降水和施氮对旱地春小麦产量和生物量影响的模拟与分析 干旱区研究():茹晓雅李广陈国鹏等 不同降水年型下水氮调控对小麦产量及生物量的影响 作物学报():姚金保周淼平等 江苏省淮北小麦新品种(系)的丰产稳产性评价 江苏农业科学():张镇涛杨晓光高继卿等 气候变化背景下华北平原夏玉米适宜播期分析 中国农业科学():李怀德姚友旭崔同霞等 高产稳产春小麦新品种甘育 号 麦类作物学报():冉文星王冀川王璞 小麦水分高效利用研究进展 中国农业科技导报():杨锦浩李宇星张月等 夜间增温对小麦干物质积累、转运、分配及产量的影响 核农学报():王冀川高山徐雅丽等 不同滴灌量对南疆春小麦光合特征和产量的影响 干旱地区农业研究():田文仲冯伟森李俊红等 不同时期轻度干旱对小麦产量性状及旗叶抗氧化酶活性的影响 江苏农业科学():():任新庄闫丽娟李广等 陇中旱地春小麦产量对降水与温度变化的响应模拟 干旱地区农业研究():聂志刚冯仰强董莉霞等 不同降水年型下温度升高对旱地春小麦产量的影响 中国生态农业学报(中英文)():逯玉兰李广闫丽娟等 年陇中地区气候变化及其对旱地春小麦产量的影响 麦类作物学报():赵鸿王润元尚艳等 粮食作物对高温干旱胁迫的响应及其阈值研究进展与展望 干旱气象():杨婷李广 旱地小麦产量对光温的响应分析 干旱区资源与环境():